PCCP远程无线实时监测系统研究

齐海铭，宋建国，崔友国

1 研究背景

预应力钢筒混凝土管 (Pre-stressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP)是指在带钢筒的混凝土管芯上螺旋缠绕高强钢丝，并覆盖砂浆保护层而制成的管材。PCCP作为一种新型的输水管材，具有寿命长、抗震性好、防渗漏等优点，被广泛应用于水利、电力、市政给排水等领域。

PCCP的强度取决于缠绕在管芯上的高强钢丝，钢丝在管芯上产生均匀的预应力，能够抵偿由内压和外荷载产生的拉应力。但是在施工及运行过程，多种原因会造成钢丝损伤或腐蚀：1）钢丝氢脆现象；2）制造缺陷；3）砂浆保护层裂缝；4）腐蚀等。钢丝损伤到一定程度后出现断裂，引起管道强度下降，同一部位将出现更多断丝，最终导致爆管等公共安全事故。据调查，1942～2006年美国共发生了399次爆管事故，墨西哥、南非、沙特阿拉伯、利比亚人工河工程均出现过大规模的PCCP爆管事故[1]。我国PCCP的应用始于20世纪80年代，截止目前已累计生产管材超过5000km，国外PCCP爆管事故频发，给我国的PCCP安全运行管理敲响了警钟。对新铺设PCCP的质量检测、旧管线存在的缺陷检修等方面有巨大需求[2-5]。

PCCP管道工程的复杂多样性促使管道检测与监测技术向着装备智能、运行自主、位置可测的方向发展，以提高其在工程中的实用性。目前应用较多的方法包括回声检测法、电磁检测法、声波监测法、光纤光栅应变检测法等，其中比较知名的当属加拿大Pure公司开发研制的P-Wave电磁检测技术与SoundPrint声发射监测技术[1-6]。虽然目前对PCCP管预应力钢丝断丝的检测已有了一些检测方法和实践应用，但在PCCP实时监测方面的研究与应用还很少。

本文在深入研究PCCP管道断丝和泄漏机理的基础上，结合国内外的最新研究成果，自主研发完成了PCCP管道断丝、泄漏实时远程无线监测系统，融合了温度、湿度、应变等多传感器检测数据，实现PCCP健康分析与评估，有效预防爆管等突发性事故。

2 PCCP失效的监测因素分析

根据相关的文献和PCCP管道内水压力试验结果，PCCP的管道结构受力过程可分为五个阶段，即预应力钢丝作用阶段、管芯混凝土弹性阶段、管芯混凝土塑性阶段、钢筒和钢丝屈服阶段、管道破坏阶段。在混凝土管芯成型后，缠绕在管芯外侧的环向预应力钢丝会产生预压应力，在管道正常运行过程中承担部分内水压力，避免管芯混凝土不抗拉产生裂缝。此时，管道内水压力较小，管道处于弹性状态。随着内水压不断增大，管芯混凝土会进入塑性阶段，产生裂缝，随后裂缝扩展成通缝，内水压力的承载主体从管芯混凝土变成钢丝和钢筒。当内水压力继续增大时，预应力钢丝和钢筒进入屈服阶段，管道发生径向变形，钢筒焊缝开裂产生水渗漏甚至爆管，最终丧失承载能力[7]。

通过上述对PCCP失效过程的分析，可以将钢丝断裂或混凝土塑性裂变引起的管材径向应变、管材混凝土孔隙的温度和湿度变化等因素作为PCCP安全运行的监测对象。

3 系统总体设计

本文设计的PCCP远程监测系统如图1所示，沿着管道走向在地面设置塔杆式监测节点，每个节点有独立的ID识别号和经纬度坐标，各节点通过GPRS/3G/4G通信网络将数据发送至远程监测中心，由上位机软件实现数据分析、结果显示、异常报警、故障管道定位等功能。

图1 整套监测系统组成框图

每个监测节点由传感器子系统、太阳能供电子系统、无线数传子系统组成，如图2所示。

图2 每个监测节点组成框图

本系统的运行过程智能、高效、可靠，通过传感器采集管道的相关参数，通过铠装电缆将数据送入塔杆上的数据采集器，数据组帧打包后由无线数传模块通过GPRS/3G/4G等网络传输至Internet网络，最后传输至监测中心。本系统的优点包括：

1）不需要对PCCP进行穿孔等破坏性操作，避免监测系统的引入加速PCCP失效；

2）PCCP生产过程中预先埋入防水耐压式传感器，简化了后续施工过程；

3）采用多传感器融合的技术，同时监测温湿度、应变以及动态损伤过程，可以更全面、更迅速的捕捉PCCP的运行状态；

4）塔杆数据采集系统采取太阳能电池自主供电、低功耗远程无线数据传输技术，大大降低了人力、物力成本；

5）各监测节点有唯一的ID识别号和经纬度坐标，在故障监测同时也实现精确定位。

4 各子系统的设计与实现

4.1 太阳能供电子系统设计

由于该监测系统工作与野外空旷环境，采用远程集中供电方式显然施工与维护成本较高，因此本文设计了自主太阳能充电与供电系统，如图3所示。

图3 自主太阳能充电与供电原理图

采用工业级太阳能电池板，工作温度-40℃～120℃，采用防水防风结构设计，采用2组并联冗余工作方式，避免单点失效；通过Buck升压电路及稳压设计，太阳能供电输出稳定的+14 V（稳定度±5%），额定输出功率50 W；蓄电池采用免维护铅酸电池，容量为12 V/7.2 AH。

控制单元同时检测太阳能输出电压V1与蓄电池电压V2。当阳光充足时，V1-V2≥0.7V门限值，则控制单元实现太阳能输出给负载电路供电，同时检测当V2≤放电门限时，实现太阳能给蓄电池充电；当光照条件变差，0V≤V1-V2≤0.7V时，则控制单元实现太阳能输出给负载电路供电，不再给蓄电池组充电；当V1≤V2时，通过二极管线或实现蓄电池组给负载供电；当V2≤放电门限时，则控制单元断开蓄电池输出开关，保护电池避免过放电，等待阳光充足后系统再恢复供电、充电。

4.2 传感器子系统的设计

根据PCCP的失效模式，选取预埋式温湿度传感器、卡箍带应变传感器，如图4所示。

图4 PCCP监测传感器的布置

4.2.1 温湿度传感器

温湿度传感器预埋在PCCP的外部砂浆防护层中，通过监测绝对温度、相对湿度变化来表征PCCP钢筒及混凝土的渗漏情况。

传感器采用铜烧结防水外壳，水分子无法进入，而空气分子可以进入，传感器检测的是金属滤网内部腔体的空气相对温度、湿度。采用瑞士Sensirion公司推出了SHT15单片数字温湿度集成传感器，湿度测量量程为0～100%RH（测量精度±2.0%RH），温度测量量程为-40～+120 ℃（测量精度±0.3℃），响应时间约3 s。温湿度传感器外形见图5。

图5 温湿度传感器外形图

SHT10的供电与信号采集变送器放置在塔杆信号箱中，将STH15输出的串行数据变送为0～5V的电压信号。温湿度传感器信号变送原理见图6。

图6 温湿度传感器信号变送原理

4.2.2 应变传感器

采用卡箍式钢带缠绕在PCCP外部保护层，卡箍接头位置用螺栓紧固，螺栓可以预埋在PCCP中，卡箍带处于预拉紧状态紧贴在管道外壁，PCCP管壁的弹性和塑性变化引起卡箍带的应变。用自带补偿的电阻式应变片来测量卡箍带的应变，如图7所示，电阻式应变片采用T-1型502胶粘贴在卡箍带表面，传感器引线连接到无线数传子系统的数据采集卡。

图7 应变传感器粘贴方式

本文采取的应变片型号为BX350-10AA，敏感删尺寸为10 mm×4mm，基底尺寸为 18mm×9mm，量程为±5000με，测量精度为1%，为了提高测量精度和可靠度，每个卡箍带粘贴4个传感器并取测量结果的平均值，应变与电阻换算关系如下公式所示：

式中，ΔR为传感器电阻的变化值；R0为传感器电阻初始值，粘贴后由兆欧表精确测量；K0为金属材料的应变灵敏系数，在材料弹性极限范围内为常数。

4.3 无线数传子系统设计

本文设计的无线数传子系统由天线、GPRS通信模块、SIM卡、数据采集卡四部分组成。其中，数据采集卡兼容模拟量、电流量、RS-485、RS-232等接口，读取各类传感器的数据；GPRS模块由ARM处理器、存储器、射频模块及功率放大器等组成，配合SIM卡和天线将该监测节点的组帧数据按照通信协议无线发送至运营商的服务器，实现了无线数传功能。数传子系统组成原理见图8。

图8 数传子系统组成原理

4.4 监视子系统设计

监视子系统由GPRS/互联网数据中转服务器及其协议、虚拟串口协议、计算机及监视软件组成，建立GPRS-DTU模块与监视计算机虚拟串口之间透明传输通道，采用组态软件编制监视软件，可以按照设备ID顺序，直接读取各个GPRS-DTU模块的采集数据，在软件相应参数位置和曲线中显示结果。软件中可以设置各个参数的报警阈值，当某参数的数据超过阈值时，软件将发出警报提醒值班人员。监视子系统的通信过程描述见图9。

此外，监视系统不仅可以读取远程遥测数据，还可以返向远程发送指令，GPRS-DTU模块可以通过RS-485串口（例如Modbus仪表协议）或者12V脉冲指令对管道阀门、配电箱继电器等关键环节进行打开与关闭控制，实现远程及时抢修，避免次生灾害的发生。

5 系统试验验证

将上述各子系统进行集成，采用单个GPRS-DTU模块插入SIM卡远程通信，在监视计算机软件中实现了PCCP传感器数据的采集，数据更新速率为帧/0.5s，系统工作稳定。单节点监测系统设备见图10。

图10 单节点监测系统设备

监视软件页面见图11。

图11 监视软件页面

6 结论

本文依据PCCP运行的失效原理分析，提出了一种PCCP远程无线安全监测系统的设计方法，用于对PCCP进行健康评估与管理。该系统采用温度、湿度、应变检测等多种智能传感技术，野外监测设备利用太阳能电池、锂电池综合配电方式，通过GPRS/3G/4G等无线通信手段将PCCP监测数据传送至监测中心。通过系统集成、调试和试验验证，本系统运行稳定，可远程实现PCCP的远程安全监测功能。

[1]李田,郑瑞东,朱军.排水管道检测技术的发展现状 [J].中国给水排水,2006(12).

[2]董亮,阿里木江,等.某供水工程倒虹吸PCCP状态评估、风险评价及运行管理[J].特种结构,2014(4).

[3]王五平,Jack Elliott.大口径输水管道自由浮游检漏系统 [J].给水排水,2009(7).

[4]徐进,田华,等.远场涡流技术在PCCP断丝检测中的应用[J].混凝土与水泥制品,2014(12).

[5]Xiangjie Kong,Xinlu Tang.自由游动检测仪对大口径PCCP管的现场检测[J].非开挖技术,2011(2).

[6]王五平.PCCP爆管预警的光纤声监测系统[J].水电水利技术,2009(3).

[7]窦铁生,燕家琪.预应力钢筒混凝土管(PCCP)的破坏模式及原因分析[J].混凝土与水泥制品,2014(1).

[8]王丰,陈鹏,安玉肖.基于GPRS无线通讯技术的长输管道泄漏检测系统[J].化工管理,2017(1).

[9]赵振宇,张国钧.基于PPI协议和GPRS网络的供水管网远程监控系统设计[J].仪表技术与传感器,2017(5).